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作者：

毛泽宁

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摘要：

强度和塑性是结构材料最基本的力学性能。等径角变形等剧烈塑性变形方法通过细化材料内部的晶粒组织,大幅提高了其强度。另一方面,改变材料变形的外在条件对材料的力学行为也会产生影响显著,例如高应变速率变形下,材料的流变应力会明显提高。多晶材料塑性变形时表面会产生粗糙起伏的"桔皮效应"。迄今的研究已经清楚了在常规应变速率条件下晶粒尺寸细至18μm的金属材料的"桔皮效应"产生规律。然而,当晶粒尺寸细化至超细晶/纳米晶尺度时、以及在高应变速率条件下,"桔皮效应"是否依然存在?是否还遵循粗晶时及常规应变速率时的规律?这些问题的答案对于在超细晶/纳米晶的范畴发展"桔皮效应"相关的塑性理论、以及这类新材料的塑性成形和应用具有重要的作用。另一方面,塑性变形中流变应力的应变速率敏感性指数(Strain rate Sensitivity,简称SRS)是表征材料塑性行为的重要参数。业已表明fcc金属的SRS会随着晶粒尺寸的减小而显著升高。这一现象可以用热激活主导的位错滑移模型很好地解释。然而,当应变速率升高到>~1>103s-1时,塑性变形的主导机制逐渐由热激活机制转变为位错阻尼机制。在这种新的位错阻尼机制主导下,SRS与晶粒尺寸的关系是延续低应变速率下的关系呢,还是有新的表现?非常值得期待。特别是,SRS对高应变速率下的塑性变形作用更为重要。围绕上述问题,本文以fcc无氧纯铜为例,通过对超细晶纯铜进行退火热处理制备出不同晶粒尺寸的试样,通过准静态和动态拉伸试验,研究不同应变速率条件下"桔皮效应"和SRS的晶粒尺寸效应。研究得到如下主要创新性结论:1.与低应变速率下晶粒细化导致SRS增大的规律截然相反,本研究发现在高应变速率下,纯铜SRS随晶粒尺寸增大而显著增高。SRS具有明显的应变速率效应,尤其在高应变速率下,SRS会显著增高。这也是导致高、低应变速率下,SRS随晶粒尺寸变化规律呈现相反趋势的直接原因。2.SRS与晶粒尺寸关系随着应变速率增高而发生反转的原因是:低应变速率下的热激活主导机制转变为高应变速率下的位错阻尼主导机制。基于局部取向差分析的显微组织观察间接证实了这一塑性变形机制的转变,而且随着晶粒尺寸增大位错阻尼机制的作用逐渐增强。根据本文建立的本构模型,SRS由热激活分量和位错阻尼分量两部分组成。在热激活机制主导下,SRS热激活分量与应变速率无关且随着晶粒尺寸的降低而增高,但其值总体较小;而在位错阻尼机制主导下,SRS位错阻尼分量随应变速率快速增大,远超过SRS的热激活分量,并且该分量随晶粒尺寸增加而显著升高。二者共同作用,造成了SRS的晶粒尺寸效应随着应变速率的增高发生反转。3.在细至~0.5μm的晶粒尺寸范围内,变形纯铜表面"桔皮"结构的自仿射分形维数相同,自仿射相关长度与晶粒尺寸成正比。"桔皮效应"的本质是,不同晶粒之间不同的塑性变形特征,导致晶粒间出现空间位置上的交错起伏。细化晶粒不仅降低表面粗糙度Ra,还会降低表面粗糙度增长速率。"桔皮效应"表现出明显的应变速率相关性,高应变速率下生产的表面粗糙度明显大于低应变速率下的表面粗糙度。反映出晶粒之间不同的塑性变形特征会随应变速率增大而加剧。4.在高应变速率变形下,纯铜的流变应力与晶粒尺寸依然符合Hall-Petch关系。其斜率K与应变速率的对数成正比。同时高应变速率下的拉伸变形均匀延伸率也随晶粒尺寸的增大而逐渐增高。

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关键词：

“桔皮效应” 应变速率敏感性 晶粒尺寸效应 应变速率效应 热激活 位错阻尼